论文 - 图文(3)

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(1) 激光测距

激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是:从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内的光电二极管，利用计数器计算激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。在汽车测距系统中，非成像式激光雷达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境是处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。目前，在汽车上，上述各种激光雷达测距仪均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。

(2) 红外线测距

红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，波长为0.75～1000μm。有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。但其由于波长及大小很难准确分辩，因此红外传感器角度分辨率高，而距离分辨率低。由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。但是,它比较容易受到光源和热源影响。

(3) CCD 摄像机

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CCD ( Charge Coupled Device)摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。

(4) 超声波测距

超声波一般指频率在40KHz以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。

通过对以上几种测距方式的分析比较，可以看出超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。因此本设计采用超声波测距方式。

2.1.2 预警提示方式

预警提示方式好坏是设计的汽车倒车探测器是否实用的重要标志。目前主要有轰鸣器提示、数码波段显示、液晶荧屏显示，魔幻镜显示，音响提示等单个或多种方式相结合的提示方式，下面对这几种提示方式进行分析和比较。

(1) 轰鸣器提示

车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器不同信号，轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。此方式没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对司机帮助不大。

(2) 数码波段显示

数码和波段组合在一起，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜

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色来区别：绿色代表安全距离，一般表示障碍物与车体的距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，一般表示与障碍物的距离只有0.6－0.8m；红色代表危险距离，一般表示与障碍物之间只有不到0.6m的距离。这种方式比较实用，一目了然，但没有声响，警示效果不好。

(3) 液晶荧屏显示

动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。

(4) 魔幻镜显示，音响提示

其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置，颜色款式多样。语音提示比较方便，避免驾驶员过度关注显示器，分散注意力。但需要专业集成芯片，技术上较为复杂。此方案造价较高，比较适合高档汽车，可以按照个人需求和车内装饰选配。 (5) 声音＋数码距离显示＋指示灯

数码管显示距离，声音、指示灯提示，比较实用，直观，方便。

通过对预警提示方式的分析，综合其特点，采用声音、LED数码管和二极管指示灯相结合的提示方式。

2.2本课题的主要任务及内容

本课题的设计采用超声波检测和单片机系统的汽车倒车雷达。该倒车障碍检测系统所采用的超声波传感器技术探测到附近的障碍物，为驾驶员提供倒车警告和辅助泊车功能。其原理是利用超声波探测倒车路径上或附近存在的障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，当汽车与障碍物小于设定距离时，发出报警，提醒驾驶员以不同的车速倒车或及时停车。

该设计技术指标：

1. 设置报警距离，按下设置键后就可以再按加减键修改报警距离并具有掉电保存功能。

2. 当超声波探测的距离小于设定的距离时蜂鸣器发出报警声，同时红色的发光二级管也提醒报警。

3.能够显示探测距离，显示距离误差不超过±0.5cm。。

基于此任务，本课题中选择了超声波传感器发射探头发射40KHz的超声波信号，

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并通过接收探头接收被障碍物反射的超声波信号，通过接收电路进行调理，得到一个低电平的电压信号传入单片机中。其内容主要分为软件和硬件两部分。在遵循软硬件相结合的原则下，先熟悉软件环境，然后进行硬件电路设计，再根据设计的硬件进行软件编程，进行模块化设计，并对各模块进行调试，再焊接电路板，最后软硬件进行联合调试和故障的排除。

2.3本课题的任务分析与实现

针对本课题基于超声波检测的倒车雷达的设计的任务，进行分析得到：通过单片机控制超声波传感器的发射驱动电路，驱动超声波换能器发射超声波，并启动单片机内部计时器开始计时，当超声波被接收探头所接收后，单片机的定时器就停止计时，通过计算，把计算的距离值显示在LED上。其中对设置的距离进行声光报警。

要求达到的各项指标及实现方法如下： (1) 超声波信号的产射与接收

实现：利用单片机控制超声波传感器发射40KHz的声波信号，被障碍物反射后被传感器接收。 (2) 测距的实现。

实现：利用单片机内部定时器和中断来实现。 (3) 对数据的处理，要求用LED数码管显示。 实现：利用软件编程实现各项功能。 (4) 设定距离的声光报警。

实现：利用软件编程来实现各项功能。

2.4本论文的主要内容安排

本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、按键设置、四位数码管显示、声光报警等子模块。电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是由硬件和软件组成，硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的设计过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。本次设计的内容安排可以分为三部分：

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第一部分是硬件设计，包括方案的设计、元器件的选择等。具体的硬件电路包括超声波传感器工作电路，声光报警电路，数码管显示电路，报警距离设定电路以及STC89C52单片机的其他外围电路。在实验板上每一个硬件电路焊接完成后，每一部分单独调试，在各个部分调试成功后，联调整个硬件电路，最后做出分析，得出结论。

第二部分是软件设计，软件采用C语言编写，软件设计的思想主要是自顶向下，模块化设计，各个子模块逐一设计，分别再进行调试，最后的联调整个程序，判断是否达到预期的要求，做出结论。

第三部分在软硬件模块调试都成功的前提下，进行硬、软件联调，这是整个设计的关键，也是设计的难点所在。

2.5 超声波测距的基本原理

2.5.1 超声波简介

声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000Hz)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图2.1所示。

图2.1

超声波的特性有： （1）束射特性

由于超声波的波长较短，因此可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，

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